Сердце Вселенной: что объединяет квантовые компьютеры и черные дыры
Что такое квантовый компьютер и из чего он состоит? Далеко не все вычислительные машины имеют право на такое название. Почему это так и для чего нужны подобные установки, объясняет Кристофер Монро, профессор университета Мэриленда и один из ведущих игроков в глобальной "квантовой гонке".
Российский квантовый центр регулярно проводит в Москве крупные международные конференции, посвященные развитию квантовых технологий и их применению на практике. В ее работе принимают участие не только ведущие исследователи, но и представители крупного российского и зарубежного бизнеса и представители власти.
В этом году на конференции выступили лидеры трех научных команд, лидирующих в создании сложных квантовых вычислительных систем. Помимо Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета (США), который впервые заявил о создании рекордно мощного 51-кубитного компьютера на предыдущей конференции, в ней участвовали профессоры Кристофер Монро и Хармут Невен.
Монро, работающий сегодня в университете штата Мэриленд (США), создал аналогичную по мощности машину почти одновременно с его российско-американским коллегой, используя похожие, но несколько иные принципы.
Он рассказал РИА Новости о том, в какую сторону развивается эта система, чем она отличается от "конкурентов" и где пролегает граница между настоящими квантовыми компьютерами, полностью соответствующими этому термину, и вычислительными системами, которые построены на базе классических принципов.
Квантовое превосходство
"Я далеко не всегда занимался квантовыми вычислениями. Моя научная карьера началась с того, что я занимался созданием атомных часов, построенных на базе запутанных состояний. Когда я увидел знаменитый алгоритм Шора, я понял, что мы на самом деле делаем квантовый компьютер. Это простое наблюдение заставило меня, как и многих других коллег, заняться их разработкой", — отметил ученый.
Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.
Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами.
Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к арифмометрам, логарифмическим линейкам и аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности. Существуют и гибридные подходы, сочетающие в себе черты и тех, и других машин. К их числу, как считает Монро, можно отнести и компьютер Михаила Лукина.
"Наши подходы с Мишей в чем-то похожи – мы используем лазерные системы для того, чтобы управлять взаимодействиями квантовых логических вентилей. При этом, ключевое различие между нами и причина того, почему мы заметно опередили его группу, заключается в том, что наши кубиты гораздо стабильнее", — объяснил профессор.
По словам Монро, это связано с тем, что ячейки памяти в его машине построены на базе ионов иттербия, редкоземельного металла, чье состояние не меняется, если манипулировать ими при помощи лазерных лучей. Квантовый компьютер Лукина и его команды, в свою очередь, построен на базе так называемых "атомов Ридберга", не защищенных от подобных воздействий.
Они представляют собой атомы рубидия-87 или других щелочных металлов, чей свободный электрон был "отодвинут" на огромное расстояние от ядра при помощи особых лазерных или радиоволновых импульсов. Из-за этого размеры атома увеличиваются примерно в миллион раз, что превращает его в кубит, но, как объяснил Монро, не позволяет передвигать его, не деформируя эту конструкцию и не разрушая квантовые состояния.
Отсутствие подобных проблем у ионов, по словам американского физика, позволило его команде создать не гибридный, а полностью управляемый квантовый компьютер, чьими кубитами ученые могут манипулировать прямо в ходе ведения вычислений.
К примеру, еще три года назад, задолго до создания более крупных машин, Монро и его команда заявили, что им удалось создать первый "перепрограммируемый" квантовый вычислитель, состоявший из пяти ячеек памяти. Эта скромная машина, благодаря высокой гибкости ее работы, позволила физикам исполнить на ней сразу несколько квантовых программ.
В частности, им удалось запустить на этом "мини-компьютере" алгоритмы Дойча-Йожи, Бернштейна-Вазирани, а также создали квантовую версию преобразований Фурье, краеугольного камня криптографии и ее взлома.
Эти успехи, а также сложности в удержании большого числа ионов в ловушках, как отмечает Монро, натолкнули его на мысль, что квантовые вычислительные системы следует создавать не монолитными, а модульными. Иными словами, "серьезные" квантовые компьютеры будут представлять собой не единое целое, а своеобразную сеть, состоящую из множества однотипных и достаточно просто устроенных модулей.
Несовершенство вакуума
Подобные системы, как отметил американский профессор, уже существуют, однако пока они не используются в прототипах квантовых компьютеров по одной простой причине – они работают примерно в 100 раз медленнее, чем сами кубиты. Тем не менее, он считает, что эта проблема вполне разрешима, так как она имеет инженерный, а не научный характер.
"Столь большие задержки связаны с тем, что атомы испускают фотоны в произвольных направлениях, и мы далеко не сразу улавливаем их, из-за чего нам приходится ждать. Эти проблемы можно решить, приблизив оптику к атому и интегрировав ее в чип. Все это не выходит за грани реальности, и рано или поздно нам придется это сделать, когда мы выйдем на рубеж в несколько сотен кубитов", — продолжает ученый.
Еще одна потенциальная проблема, которая будет мешать работе монолитных или просто крупных квантовых компьютеров, заключается в том, что вакуум, как выразился Монро, не идеален. В нем всегда присутствует небольшое число молекул, каждая из которых может столкнуться с атомными кубитами и помешать их работе.
"Условно говоря, если у вас есть один кубит, то он будет сталкиваться с молекулами, присутствующими в вакууме, примерно раз в час. Если вы ведете в этот момент вычисления, то на вашем квантовом компьютере появится нечто вроде "синего экрана смерти". Но если взять 60 ионов, то тогда такие ошибки будут происходить уже каждую минуту. Если вычисления будут длиться дольше, то у нас появятся огромные проблемы, — объясняет профессор.
Единственный способ это преодолеть – еще сильнее охладить квантовый компьютер, максимально приблизившись к абсолютному нулю. Команда Монро пока этим не занимается, так как число кубитов в их машине пока невелико, однако в будущем эту проблему обязательно придется решить.
Модульный подход, как предполагает американский профессор, будет еще одним из способов решения этой проблемы, так как он позволит разбить компьютер на множество независимых друг от друга частей, содержащих относительно небольшие количества кубитов. В теории, он будет работать не так быстро, как монолитная машина, но при этом он позволит обойти проблему "несовершенного вакуума", так как модули будет проще охлаждать и контролировать.
Когда наступит это время? Как предполагает Монро, в ближайшие 3-5 лет будут созданы машины, включающие в себя несколько сотен кубитов. Они будут способны исполнять несколько десятков тысяч операций, и для их работы не потребуются экстремальные системы охлаждения или системы коррекции ошибок.
Подобные машины смогут решать многие сложные практические задачи, однако они не будут полноценными компьютерами в классическом смысле этого слова. Для этого потребуется нарастить число кубитов и "научить" их самостоятельно исправлять ошибки в своей работе. На это, по мнению физика, уйдет еще пять лет.
"Пока нам не нужно исправлять ошибки в работе нашей машины, так как они случаются очень редко, и мы не можем проводить вычисления достаточно долго, чтобы вероятность их появления стала достаточно высокой. То же самое касается машины Михаила", — отметил исследователь.
Финишная прямая гонки
Первые сложные квантовые вычислительные машины, как надеется и считает Монро, будут построены на базе ионных или атомных технологий, так как все остальные варианты кубитов, в том числе и перспективные полупроводниковые ячейки памяти, еще не достигли схожего уровня развития.
"Пока это все университетские лабораторные эксперименты. Эти кубиты нельзя использовать для создания полноценных логических элементов. Поэтому я соглашусь с Михаилом в том, что нашим коллегам из Австралии, Intel и других коллективов придется решить много практических проблем, прежде чем они смогут создать полноценную вычислительную систему", — отмечает физик.
Как определить победителя в этой "квантовой гонке"? Два года назад Монро и его коллеги попытались дать ответ на этот вопрос, организовав первое сравнительное тестирование квантовых компьютеров. В качестве конкурента для первой версии своей машины они избрали квантовый компьютер фирмы IBM, созданный на базе сверхпроводящих кубитов.
Для их сравнения физики и программисты из университета Мэриленда подготовили первый набор "квантовых бенчмарков" – простых алгоритмов, позволяющих оценить и точность, и скорость работы этих компьютеров. Этот тест не выявил прямого победителя – компьютер Монро и его команды выиграл в точности, но проиграл в скорости работы машине IBM.
"Зачем мы проводим подобные тесты? Они критически важны для проверки работоспособности квантовых компьютеров и понимания того, в какую сторону нужно двигаться, даже если наша система пока еще очень проста. В будущем, когда число кубитов в нашей машине значительно увеличится, мы вернемся к этому же набору алгоритмов и устроим те же проверки", — пояснил ученый.
При этом Монро считает, что так называемое "квантовое превосходство" – создание квантового компьютера, поведение которого нельзя просчитать другими методами – не будет каким-то серьезным научным или практическим достижением.
"Проблема заключается в самом понятии. С одной стороны, наши эксперименты с пяти десятками кубитов, как и опыты Миши, помогли вычислить те вещи, которые никак иначе нельзя просчитать. С другой стороны, это нельзя назвать превосходством, так как мы не можем доказать, что это реально нельзя вычислить иными способами. Квантовое превосходство рано или поздно появится, но лично я не собираюсь гнаться за ним", — подчеркнул ученый.
Еще одна сложность заключается в том, что мы пока не можем точно сказать, какие задачи смогут решать квантовые компьютеры и где их применение будет наиболее обоснованным и полезным. Для этого необходимо, чтобы и научная среда, и все общество в целом начало воспринимать подобные машины как доступный и универсальный инструмент.
"Алгоритмы и "железо" не могут развиваться в отрыве друг от друга. Мало кто будет думать о создании новых программ, если у них не будет машин, на которых их можно будет проверить, и наоборот – без существующих алгоритмов почти никто не будет создавать компьютеры. Пока алгоритмы впереди, но это вполне нормально, учитывая, что теория должна опережать практику", — объяснил Монро.
Квантовые тайны Вселенной
Еще одна проблема – пока ученые могут заставлять кубиты совершать относительно небольшое число операций, прежде чем связи между ними разрушаются. По этой причине наращивать число ячеек памяти в машине не имеет смысла, так как ее производительность и возможности от этого не увеличатся.
"Нельзя просто взять пять сотен кубитов, собрать их в кучку и сказать – смотрите, у нас есть машина на несколько сот кубитов. Она должна быть способной совершать несколько тысяч операций для того, чтобы считаться полноценным квантовым компьютером", — отметил Монро.
По этой причине, американский профессор не считает, что адиабатические вычислительные системы, подобные установкам фирмы D-Wave, можно называть "квантовыми компьютерами". Их работа, по мнению физика, основывается на вполне классических физических принципах, не имеющих ничего общего с настоящей квантовой механикой.
"Несмотря на это, подобные аналоговые компьютеры крайне интересны с практической точки зрения. Можно просто взять несколько магнитов, прикрепить их к треугольной сетке и проследить за их поведением. Эти опыты не будут ничего общего с квантовой физикой, но они позволят провести некоторые сложные оптимизационные расчеты. Интерес инвесторов к ним есть, значит, это делается не зря", — продолжает профессор.
Какие задачи сможет решать "настоящий" квантовый компьютер? Как отметил Монро, за последние годы с его командой связались многие другие коллективы физиков. Они планируют использовать их машину для решения многих важных научных задач, которые нельзя просчитать на обычной вычислительной машине.
"Мы перешли от опытов с атомами к космологии, изучению конденсированных состояний и физике черных дыр. Оказалось, что в нашей системе можно создать такие состояния, которые будут повторять то, что происходит с парой запутанных частиц, одна из которых падает в черную дыру. Иными словами, мы можем собрать квантовую цепь, которая поможет нам просчитать то, что происходит с материей и информацией внутри сингулярности", — рассказывает Монро.
Пока такие же опыты, как признал физик, можно проводить и на обычных суперкомпьютерах. С другой стороны, уже в ближайшие годы число кубитов в квантовых машинах значительно вырастет, что сделает их работу непросчитываемой.
Это расширит их применимость и сделает подобные эксперименты одним из самых интересных и уникальных способов изучать самые крупные и загадочные объекты Вселенной, а также решать многие повседневные задачи, такие как поиск маршрутов или управление экономикой, заключает исследователь.